Çok Ölçekli Entegre Hücre

UC San Diego araştırmacıları, mikroskopi, biyokimya ve yapay zekayı birleştiren ve insan gelişimi ve hastalığına yeni ipuçları sağlayabilecek daha önce bilinmeyen hücre bileşenlerini ortaya çıkaran bir teknik olan Çok Ölçekli Entegre Hücreyi (MuSIC) tanıtıyor. (Sanatçının kavramsal sunumu.) Kredi: UC San Diego Sağlık Bilimleri

Yapay zeka tabanlı teknik, insan gelişimi ve hastalığına yeni ipuçları sağlayabilecek daha önce bilinmeyen hücre bileşenlerini ortaya çıkarıyor.

İnsan hastalıklarının çoğu, bir hücrenin arızalı kısımlarına kadar izlenebilir – bir tümör, bir gen belirli bir proteine ​​doğru bir şekilde çevrilmediği için büyüyebilir veya örneğin, mitokondri düzgün şekilde ateşlenmediği için bir metabolik hastalık ortaya çıkar. Ancak bir hastalıkta hücrenin hangi kısımlarının yanlış gidebileceğini anlamak için bilim adamlarının öncelikle tam bir parça listesine sahip olmaları gerekir.

California Üniversitesi San Diego Tıp Okulu’ndaki araştırmacılar ve işbirlikçiler, mikroskopi, biyokimya teknikleri ve yapay zekayı birleştirerek, insan hücrelerinin anlaşılmasında ileriye doğru önemli bir adım olabileceğini düşündüklerini yaptılar.

Çok Ölçekli Entegre Hücre (MuSIC) olarak bilinen teknik, 24 Kasım 2021’de Doğa.

“Bir hücre hayal ederseniz, muhtemelen hücre biyolojisi ders kitabınızdaki mitokondri, endoplazmik retikulum ve çekirdek içeren renkli diyagramı hayal edersiniz. Ama bütün hikaye bu mu? Kesinlikle hayır,” dedi UC San Diego Tıp Fakültesi ve Moores Kanser Merkezi’nde profesör olan Trey Ideker. “Bilim adamları uzun zamandır bildiğimizden daha fazla bilmediğimiz şey olduğunu fark ettiler, ama şimdi sonunda daha derine bakmanın bir yolu var.”

Ideker, Stockholm, İsveç ve Stanford Üniversitesi’ndeki KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’nden Emma Lundberg, PhD ile çalışmayı yönetti.

Klasik Hücre ve MuSIC

Sol: Klasik ders kitabı hücre diyagramları, tüm bölümlerin açıkça görülebildiğini ve tanımlandığını ima eder. (Kredi: OpenStax/Wikimedia). Sağda: MuSIC tekniği tarafından oluşturulan yeni bir hücre haritası birçok yeni bileşeni ortaya koyuyor. Altın düğümler bilinen hücre bileşenlerini temsil eder, mor düğümler yeni bileşenleri temsil eder. Düğümün boyutu, o bileşendeki farklı proteinlerin sayısını yansıtır. Kredi: UC San Diego Sağlık Bilimleri

Pilot çalışmada MuSIC, bir insan böbrek hücre dizisinde bulunan ve yarısı daha önce hiç görülmemiş olan yaklaşık 70 bileşeni ortaya çıkardı. Bir örnekte, araştırmacılar, alışılmadık bir yapı oluşturan bir grup proteini tespit ettiler. UC San Diego’dan meslektaşı Gene Yeo, PhD ile birlikte çalışarak, sonunda yapıyı bağlayan yeni bir protein kompleksi olarak belirlediler. RNA. Kompleks muhtemelen, genlerin proteinlere çevrilmesini sağlayan ve hangi genlerin hangi zamanlarda aktive edildiğini belirlemeye yardımcı olan önemli bir hücresel olay olan ekleme ile ilgilidir.

Hücrelerin içi – ve orada bulunan birçok protein – tipik olarak iki teknikten biri kullanılarak incelenir: mikroskop görüntüleme veya biyofiziksel ilişkilendirme. Görüntüleme ile araştırmacılar, ilgilenilen proteinlere çeşitli renklerde floresan etiketler ekler ve mikroskobun görüş alanı boyunca hareketlerini ve ilişkilerini takip eder. Araştırmacılar, biyofiziksel ilişkilere bakmak için, bir proteini hücreden çıkarmak ve ona başka nelerin bağlı olduğunu görmek için bir proteine ​​özgü bir antikor kullanabilirler.

Ekip, uzun yıllardır hücrelerin iç işleyişini haritalamakla ilgileniyor. MuSIC ile ilgili farklı olan şey, hücreyi doğrudan hücresel mikroskopi görüntülerinden haritalamak için derin öğrenmenin kullanılmasıdır.

Ideker’in laboratuvarında Biyoinformatik ve Sistem Biyolojisi yüksek lisans öğrencisi olan çalışmanın ilk yazarı Yue Qin, “Bu teknolojilerin kombinasyonu benzersiz ve güçlü çünkü çok farklı ölçeklerdeki ölçümler ilk kez bir araya getirildi” dedi.

Mikroskoplar, bilim adamlarının mitokondri gibi bazı organellerin boyutunu tek bir mikron seviyesine kadar görmelerini sağlar. Bireysel proteinler ve protein kompleksleri gibi daha küçük elementler mikroskopla görülemez. Tek bir proteinle başlayan biyokimya teknikleri, bilim adamlarının nanometre ölçeğine inmelerini sağlıyor. (Bir nanometre, metrenin milyarda biri veya 1.000 mikrondur.)

“Fakat bu boşluğu nanometreden mikron ölçeğine nasıl kapatırsınız? Bu, biyolojik bilimlerde uzun zamandır büyük bir engel oldu” dedi. “Görünüşe göre bunu yapay zeka ile yapabilirsiniz – birden fazla kaynaktan gelen verilere bakarak ve sistemden bunları bir hücre modeline birleştirmesini isteyin.”

Ekip, tüm verilere bakmak ve hücrenin bir modelini oluşturmak için MuSIC yapay zeka platformunu eğitti. Sistem, kısmen konumlarının sabit olmaması nedeniyle, hücre içeriklerini ders kitabı diyagramı gibi belirli konumlara henüz eşlemez. Bunun yerine, bileşen konumları akışkandır ve hücre tipine ve durumuna göre değişir.

Ideker, bunun MuSIC’i test etmeye yönelik bir pilot çalışma olduğunu kaydetti. Sadece 661 proteine ​​ve bir hücre tipine baktılar.

İdeker, “Bir sonraki net adım, tüm insan hücresini patlatmak ve ardından farklı hücre tiplerine, insanlara ve türlere geçmek” dedi. Sonunda, sağlıklı ve hastalıklı hücreler arasındaki farkı karşılaştırarak birçok hastalığın moleküler temelini daha iyi anlayabiliriz.”

Referans: Yue Qin, Edward L. Huttlin, Casper F. Winsnes, Maya L. Gosztyla, Ludivine Wacheul, Marcus R. Kelly, Steven M. Blue, Fan “Protein görüntülerini ve etkileşimlerini birleştiren hücre yapısının çok ölçekli haritası” Zheng, Michael Chen, Leah V. Schaffer, Katherine Licon, Anna Bäckström, Laura Pontano Vaites, John J. Lee, Wei Ouyang, Sophie N. Liu, Tian Zhang, Erica Silva, Jisoo Park, Adriana Pitea, Jason F. Kreisberg, Steven P. Gygi, Jianzhu Ma, J. Wade Harper, Gene W. Yeo, Denis LJ Lafontaine, Emma Lundberg ve Trey Ideker, 24 Kasım 2021, Doğa.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04115-9

Ortak yazarlar şunlardır: Maya L. Gosztyla, Marcus R. Kelly, Steven M. Blue, Fan Zheng, Michael Chen, Leah V. Schaffer, Katherine Licon, John J. Lee, Sophie N. Liu, Erica Silva, Jisoo Park, Adriana Pitea, Jason F. Kreisberg, UC San Diego; Edward L. Huttlin, Laura Pontano Vaites, Tian Zhang, Steven P. Gygi, J. Wade Harper, Harvard Tıp Okulu; Casper F. Winsnes, Anna Bäckström, Wei Ouyang, KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü; Ludivine Wacheul, Denis LJ Lafontaine, Université Libre de Bruxelles; ve Jianzhu Ma, Pekin Üniversitesi.

Bu araştırma için fon kısmen Ulusal Sağlık Enstitülerinden geldi (u54CA209891, U01MH115747, F99CA264422, P41GM103504, R01HG009979, U24HG006673, U41HG009889, R01HL137223, R01HG004659, R50CA243885 hibeleri), Wallenberg Vakfı (hibe 2016.0204), İsveç Araştırma Konseyi (hibe 2017-05327), Belgium Fonds de la Recherche Scientifique, Université Libre de Bruxelles, Nadir Hastalıklar Avrupa Ortak Programı, Région Wallonne, Internationale Brachet Stiftung ve Epitran COST eylemi (hibe CA16120 ).

Açıklamalar: Trey İdeker Bilimsel Danışma Kurulu’nun kurucu ortağıdır ve Data4Cure, Inc.’de özsermaye payına sahiptir. Gene Yeo, Bilimsel Danışma Kurulu’nda bir kurucu ortak, Yönetim Kurulu üyesi, Locanabio ve Eclipse BioInnovations için bir sermaye sahibi ve ücretli bir danışmandır. Yeo ayrıca Singapur Ulusal Üniversitesi’nde misafir öğretim üyesidir. Bu düzenlemelerin koşulları, çıkar çatışması politikalarına uygun olarak California San Diego Üniversitesi tarafından gözden geçirilmiş ve onaylanmıştır. Emma Lundberg, Cartography Biosciences, Nautilus Biotechnology ve Interline Therapeutics’in Bilimsel Danışma Kurullarında yer almaktadır ve bu alanlarda özsermaye payına sahiptir. J. Wade Harper, Bilimsel Danışma Kurulu’nun kurucu ortağıdır ve Caraway Therapeutics’te özsermaye payına sahiptir. Harper ayrıca Interline Therapeutics’in Kurucu Bilimsel Danışmanıdır.





#Yapay #Zeka #Daha #Önce #Bilinmeyen #Biyolojiyi #Ortaya #Çıkarıyor #Hücrelerimizdekilerin #Yarısını #Bilmeyebiliriz